KR102606578B1 - 선박의 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템은 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인 상에 증발기, 팽창 터빈, 기화기, 열매체 탱크 및 펌프 순으로 사이클이 구성된 유기랭킨사이클들; 상기 유기랭킨사이클들 중 하나의 유기랭킨사이클이 가동될 때 필요한 기동 전력을 제공하기 위한 발전기; 및 상기 유기랭킨사이클의 가동에 따른 전력 생산에 따라 상기 발전기의 발전량을 제어하는 배전반을 포함할 수 있다.

Description

선박의 발전 시스템{Electricity generating system for ships}
본 발명은 직접추진엔진이 적용된 FSRU에서 소형 발전기, 냉열 발전용 터빈이 주전력 시스템으로 연결되고, 각 장비 발전량 모니터링 및 선박 전체 부하량을 고려해 냉열 발전용 터빈과 소형 발전기 발전량을 조절할 수 있는 선박의 발전 시스템에 관한 것이다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 약 섭씨 -162도의 초저온으로 냉각하여 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체이다. 액화천연가스는 액화천연가스 운반선에 의해 생산지로부터 수요처까지 원거리에 걸쳐 운반 및 하역된다. 하역된 액화천연가스는 육상 터미널에 설치된 액화천연가스 재기화 설비에 의해 재기화된 후 가정, 공업단지 등의 수요처로 공급된다.
이러한 재기화 설비가 설치된 육상 터미널은 천연가스 시장 및 수요가 안정적으로 형성되어 있는 곳에 건설하는 경우에는 경제적으로 유리할 수 있다. 그러나, 천연가스의 수요가 계절적, 단기적 또는 주기적으로 한정되어 있는 수요처의 경우에는 높은 설치비와 관리비로 인해 육상 터미널 건설이 비경제적이다.
이에 최근에는 해상에서 액화천연가스를 재기화하여 천연가스를 곧바로 수요처로 공급하기 위해 액화천연가스 운반선에 재기화 시스템을 설치한 액화천연가스 재기화 선박(LNG RV, LNG Regasification Vessel) 또는 부유식 액화천연가스 저장 및 재기화 설비(FSRU, Floating Storage and Regasification Unit) 등이 개발되어 운용되고 있다.
FSRU 선박은 재기화 장비를 운용하지 않을때에는 LNG 운반선과 동일하게 사용하고, 재기화를 운용할 때에는 정박하여 재기화 장비를 운용한다. FSRU 선박에서 재기화 장비를 운용할 때에는 전기 소모량이 크기 때문에 대형 발전기를 사용하여야 하므로 추진시에도 해당 대형 발전기를 적용한 전기 추진 방식을 사용하고 있다.
전기 추진 방식은 가스 직접 추진 방식에 비해 효율이 낮기 때문에 재기화 장비를 운용하지 않는 LNG 운반선 모드일 때 연료 소모량이 직접 추진 방식 LNG 운반선에 비해 상대적으로 많아 운용상 불리한 문제점이 있다.
본 발명은 대형 발전기 없이 재기화 설비를 운용할 수 있는 선박의 발전 시스템을 제공한다.
본 발명은 직접 추진 엔진이 적용된 선박에 유용한 선박의 발전 시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인 상에 증발기, 팽창 터빈, 기화기, 열매체 탱크 및 펌프 순으로 사이클이 구성된 유기랭킨사이클들; 상기 유기랭킨사이클들 중 하나의 유기랭킨사이클이 가동될 때 필요한 기동 전력을 제공하기 위한 발전기; 및 상기 유기랭킨사이클의 가동에 따른 전력 생산에 따라 상기 발전기의 발전량을 제어하는 배전반을 포함하는 선박의 발전 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클이 동작하면서 상기 팽창 터빈으로부터 생산되는 전력은 상기 배전반으로 공급되며, 상기 배전반은 상기 팽창 터빈으로부터 공급되는 전력량을 감지하여 상기 발전기의 부하를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클들은 순차적으로 하나씩 상기 발전기로부터 기동 전력을 제공 받아 가동될 수 있다.
또한, 두 번째 이상 상기 유기랭킨사이클 운용시 초기 기동시에는 상기 발전기로부터 기동 전력을 제공받고, 상기 유기랭킨사이클의 정상화되면서 상기 배전반에 의해 전체 전력 부하가 조정될 수 있다.
또한, 상기 발전기의 최대 발전량은 상기 선박내 전력 사용량과 상기 유기랭킨사이클 하나의 기동 전력의 합보다 크고, 상기 선박내 전력 사용량과 상기 유기랭킨사이클 두 개의 기동 전력의 합보다 작을 수 있다.
또한, 상기 배전반은 육상의 발전소와 연결되며, 상기 유기랭킨사이클들에서 생산되는 전력 일부를 상기 육상의 발전소로 송전할 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클은 상기 기화기에 의해 재기화된 액화가스를 상기 수요처에 요구되는 온도로 가열하는 제1열교환기를 더 포함하되; 상기 제1열교환기는 상기 증발기에 의해 기화된 열매체의 일부를 제1열원 공급라인을 통해 공급받으며, 상기 제1열원 공급라인은 상기 팽창 터빈의 전단에서 분기되어 상기 제1열교환기를 통과한 후 상기 기화기로 연결될 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클은 상기 제1열교환기에서 배출되는 기화된 액화가스의 압력을 이용해 발전하는 압력차 발전용 터빈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력차 발전용 터빈에서 배출되는 기화된 액화가스를 상기 수요처에서 요구되는 온도로 가열하는 제2열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시에에 의하면, 대형 발전기 없이 소형 발전기만으로 재기화 설비를 효율적으로 운용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 직접 추진 엔진이 적용된 LNG 운반선을 FSRU로 개조하는데 적합한 발전 시스템이다.
본 발명의 실시에에 의하면, 직접 추진 엔진이 적용된 선박에 유용하다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에서의 소형 발전기 및 팽창 터빈의 제어 컨셉을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 설비에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 냉매의 안전등급 분류기준을 보여주는 도면이다.
도 7은 액화가스 재기화 및 냉열 발전 설비에 사용되는 혼합 냉매의 혼합 비율별로 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 열매체의 엔탈피와 압력에 따른 열매체의 상태를 나타내는 냉매 특성 곡선을 예시한 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에서의 소형 발전기 및 팽창 터빈의 제어 컨셉을 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(10)은 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스를 재기화하여 천연가스(NG; Natural Gas), 석유가스(Petroleum Gas) 등의 연료가스를 수요처로 공급하는 동시에, 액화가스를 재기화시키는 열교환 과정에서 액화가스의 냉열을 이용하여 생산되는 전력과 소형 발전기의 전력을 조합하여 냉열 발전용 터빈과 소형 발전기 발전량을 조절하는 시스템이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(10)은 유기랭킨사이클(100)들, 발전기(gas generator)(20)들 그리고 배전반(30)(power management system)을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 유기랭킨사이클(100)은 액화가스 이송라인(112), 기화기(120), 열매체 순환라인(130), 펌프(140), 열매체 탱크(150), 증발기(160), 팽창 터빈(170)을 포함한다. 여기서, 열매체가 순환되는 열매체 순환라인(130) 상에 증발기(160), 팽창 터빈(170), 기화기(120), 열매체 탱크(150) 및 펌프(140) 순으로 구성된 액화가스 재기화 및 냉열 발전 시스템이라 할 수 있다.
본 실시예에서는 3개의 유기랭킨사이클(100)이 제공되어 있는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발전기(20)는 유기랭킨사이클(100)들 중 하나의 유기랭킨사이클이 가동될 때마다 필요한 기동 전력을 제공한다. 발전기(20)는 소형 발전기로 2개 세트로 제공될 수 있다. 일 예로, 소형 발전기는 일 예로, 3,700KW급 발전기일 수 있다.
배전반(30)은 유기랭킨사이클(100)의 가동에 따른 전력 생산에 따라 발전기(20)의 발전량을 제어할 수 있다.
즉, 하나의 유기랭킨사이클(100)이 동작하면서 팽창 터빈(170)으로부터 생산되는 전력은 배전반(30)으로 공급되며, 배전반(30)은 팽창 터빈(170)으로부터 공급되는 전력량을 감지하여 발전기(20)의 부하를 감소시킨다.
선박의 발전 시스템(10)에서는 3개의 유기랭킨사이클들이 순차적으로 하나씩 발전기(20)로부터 기동 전력을 제공받아 가동될 수 있도록 운용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 선박의 발전 시스템(10)에서의 전력 운용을 살펴보면, 장비의 부하 및 전력 소모량 및 발전량은 배전반(30)에서 감지하며, 첫 번째 유기랭킨사이클(100)을 가동할 경우 소형 발전기(20) 2대의 발전량으로 선박내 전력 사용량과 유기랭킨사이클(100)의 기동 전력을 조달한다. 이때 펌프 등 주요 장비 사용시 전력 계통을 보호하기 위해 부하 조절 장치 (Auto transformer, VFD, Soft starter 등)이 사용될 수도 있다.
유기랭킨사이클(100)이 동작하면서 유기랭킨사이클(100)이 내부의 팽창 터빈(냉열 발전용 터빈)(170)에서 전력이 생산되고, 이 전력은 배전반(30)으로 공급된다. 배전반(30)에 전력이 공급되며 해당 전력량을 감지하여 운용중인 소형 발전기(20)의 부하를 최소화한다. 두 번째 유기랭킨사이클(100) 동작시에는 전력사용량이 증가하게 되는데 이때 전력 변화량을 감지하여 배전반(30)을 통해 다시 소형 발전기(20)의 부하를 증가시키고, 증가된 전력량을 통해 두 번째 유기랭킨사이클(100)을 가동한다. 두 번째 유기랭킨사이클(100)이 정상 가동되면 두 번째 유기랭킨사이클(100)의 팽창 터빈(170)을 통해 생산된 전력량을 감지하여 전력 운용 시스템에서 소형 발전기(20)의 부하를 최소화한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이다.
도 3의 실시예를 설명함에 있어서 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 3의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(10a)은 제1열교환기(180), 압력차 발전용 터빈(260) 그리고 제2열교환기(240)를 더 포함한다는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.
선박의 발전 시스템(10a)의 유기랭킨사이클에서(100a)는 열매체의 온도가 높을수록 기체 상태를 유지하며 운용할 수 있는 압력이 높아지는 특성을 고려하여, 열매체를 최대 압력으로 올릴 필요가 있다. 그러나, 기화기(120)에서 열매체와 열교환되어 기화된 액화가스의 온도를 수요처에서 요구하는 온도로 맞추어야 하는 제약이 있다. 이 때문에 열매체의 압력 조건에 제약이 생길 수 있는데, 이러한 제약 사항을 해소하기 위해 도 3에서와 같이, 제1열교환기(180)를 추가적으로 구비함으로써, 열매체의 압력 강하를 최대로 변경하여 냉열 발전량을 높이는 동시에, 수요처에서 요구하는 가스 온도를 맞출 수 있다.
제1열교환기(180)는 증발기(160)에 의해 기화된 열매체의 일부를 제1열원 공급라인(미도시됨)을 통해 공급받을 수 있다. 제1열원 공급라인은 팽창 터빈(170) 전단에서 분기되어 제1열교환기(180)를 통과한 후 기화기(120)로 연결될 수 있다.
제1열교환기(180)는 증발기(160)에 의해 기화된 열매체를 제1열원 공급라인을 통해 공급받아, 기화기(120)에 의해 기화된 액화가스와 열교환하여 기화된 액화가스를 가열시키도록 구성된다.
제1열원 공급라인을 통해 공급된 열매체는 제1열교환기(180)에서 기화된 액화가스와의 열교환에 의해 액상화되어 기화기(120)의 선단(또는 후단)으로 공급되도록 설계될 수 있다.
압력차 발전용 터빈(260)은 제1열교환기(180)에서 배출되는 기화된 액화가스의 압력을 직접 이용해 발전하는 팽창 터빈일 수 있다. 제2열교환기(240)는 압력차 발전용 터빈(260)에서 배출되는 기화된 액화가스를 수요처에서 요구되는 온도로 가열할 수 있다.
제2열교환기(240)는 증발기(160)에 의해 기화된 열매체의 일부를 제2열원 공급라인(미도시됨)을 통해 공급받으며, 제2열원 공급라인은 팽창 터빈(170) 전단에서 분기되어 제2열교환기(240)를 통과한 후 기화기(120)와 연결된다.
도 3의 실시예에 의하면, 수요처에서 요구하는 압력에 따라 제1열교환기(180)의 후단 가스 압력을 이용해 추가적인 발전이 가능하다. 이때 압력차 발전용 터빈(260)에서 가스의 압력 강하에 따라 온도 강하도 같이 일어나기 때문에, 제2열교환기(240)에서 해수, 스팀, 대기 및 선박내 폐열 등을 이용하여 NG를 가열하여 수요처로 공급한다. 압력차 발전용 터빈(260)의 터빈은 액화가스의 냉열 발전에 활용되는 팽창 터빈(170)과 동축으로 연결될 수도 있다. 압력차 발전용 터빈(260)에서 발생되는 전력은 배전반으로 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 발전 시스템의 구성도이다.
도 4의 실시예를 설명함에 있어서 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 4의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(10b)은 육상 발전기(50)가 조합된 구성이라는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 선박의 발전 시스템(10)의 유기랭킨사이클(100)(액화가스 재기화 및 냉열 발전 설비)은 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 혼합 냉매를 이용하고, 또한 10 ~ 20 barg 압력 구간에서 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 10℃ 이상인 혼합 냉매를 이용하여 액화가스를 기화시킴으로써, 혼합 냉매가 증발기에서 기화되는 상변화 과정에서 온도가 상승되도록 하고, 액화가스의 기화 효율을 높일 수 있다.
본 실시예에 따른 유기랭킨사이클(100)의 액화가스 이송라인(112)는 LNG 저장 탱크(미도시됨)로부터 액화가스를 공급받고, 공급된 액화가스를 기화시켜 육상의 수요처로 송출하기 위해 제공될 수 있다.
일 예로, 열매체 순환라인(130)에는 2성분 이상의 비가연성 냉매들이 혼합된 열매체(혼합 냉매)가 순환될 수 있다. 실시예에서, 선박의 액화가스 재기화 시스템(100)은 단일의 열매체 순환라인(130)으로 구성될 수 있다.
열매체는 열매체 순환라인(130)을 통해 펌프(140)와 증발기(160), 팽창 터빈(170) 및 기화기(120)를 순환한다. 혼합 냉매가 증발기(160)에서 기화되어 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 혼합 냉매의 온도가 상승되도록 하기 위하여, 열매체는 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 냉매로 제공되고, 동시에 혼합 냉매의 10 ~ 20 barg 압력(증기압) 구간에서 혼합 냉매의 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 10℃ 이상이 되도록 냉매들의 혼합 비율이 설정될 수 있다.
고압 부스터 펌프(110)는 사용처에서 요구되는 압력을 고려하여, 액화가스 저장탱크 또는 버퍼 탱크 등으로부터 액화가스 이송라인(112)으로 극저온의 액화가스를 가압 공급할 수 있다. 고압 부스터 펌프(110)에 의해 가압된 액화가스는 기화기(120)를 거쳐서 기화 및 가열되어 육상의 수요처로 공급될 수 있다.
열매체 순환라인(130)에는 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환된다. 열매체는 예를 들어, 하기의 표 1에 표기된 유체 및/또는 그 혼합물이 사용될 수 있다.
에탄 프로판 I-부탄 N-부탄 R13B1
R143a R134a R152a R22 R12
R13 R125 R500 R502 R507
R114 R14 R23 R744
열매체는 열매체 순환라인(130)을 따라서, 열매체 탱크(150), 펌프(140), 증발기(160), 팽창 터빈(170), 기화기(120)를 순차적으로 경유하여 순환한다. 기화기(120)는 열매체의 열에너지 및 잠열을 이용하여 액화가스 이송라인의 액화가스를 재기화시킨다.
열매체 탱크(150)는 기화기(120)에서 배출되는 열매체를 저장한다. 열매체 탱크(150)는 운전 조건에 따른 열매체의 압력 변화를 흡수하고, 열매체가 설정된 온도 범위를 유지하여 정해진 압력 범위에서 운전될 수 있도록 한다. 열매체 탱크(150)는 팽창 탱크(expansion tank)로 제공될 수 있다. 열매체 탱크(150)는 운전 조건에 따른 열매체의 압력 변화를 흡수하고, 열매체 탱크(150)로 회수되는 열매체가 설정된 온도 범위를 유지하여 정해진 압력 범위에서 운전될 수 있도록 한다. 열매체 탱크(150)에는 2종 이상의 액화 냉매들이 저장될 수 있다.
펌프(140)는 열매체 탱크(150)에서 배출되는 열매체를 가압하여 열매체 순환라인(130)에서 순환시킨다. 펌프(140)는 열매체 탱크(150)의 후단, 증발기(160)의 전단에 설치되고, 열매체를 가압하여 증발기(160)로 공급하도록 구성될 수 있다.
기화기(120)와 펌프(140) 사이의 열매체 순환라인(130)에는 제1 압력센서와 제1 온도센서가 설치된다. 제1 압력센서와 제1 온도센서는 기화기(120)에서 배출되는 액상의 열매체의 압력과 온도를 측정한다.
증발기(160)는 기화기(120)에서 배출되어 순환하는 액상의 열매체를 열원과의 열교환에 의해 기화시킨다. 열원은 해수, 증기, 선박 내 엔진의 폐열 등으로 제공될 수 있다. 일 예로, 증발기(160)는 해수라인을 통해 공급되는 열원과의 열교환에 의해 열매체를 증발시킬 수 있다. 열원은 해수 가압 펌프(미도시됨)에 의해 해수라인을 통해 증발기(160)로 공급될 수 있다. 열원의 증발기 유입 온도는 약 14℃이고, 배출 온도는 약 7 ~ 8℃일 수 있다. 증발기(160)는 열매체의 압력(예를 들어, 10 ~ 20 barg 증기압)을 견딜 수 있도록 제작될 수 있다.
증발기(160)가 예를 들어, 티타늄 재질의 판형 열교환기(PHE; Plate type Heat Exchanger)로 제작되는 경우, 0.6mm 이하 두께의 티타늄을 열교환 플레이트로 사용하기 위해서는 열매체의 설계 압력(증기압)이 16 barg 이하가 되어야 한다. 설계 압력을 높이기 위해 0.7mm 또는 그 이상의 두께를 가지는 티타늄 플레이트를 사용하게 되면 0.6mm 두께의 플레이트와 비교하여 가격이 10배 이상 상승하기 때문에 설비 비용이 크게 증가한다.
혼합 냉매의 경우, 혼합된 냉매들의 종류 및 냉매들의 혼합 비율에 따라, 혼합 냉매의 이슬점과 끓는점이 변화하여 혼합 냉매의 상 변화시의 온도 변화 특성에 영향을 미치는 것은 물론, 증발기(160)에서의 상 변화 과정에서 혼합 냉매의 압력(증기압) 또한 변화하게 된다. 따라서, 증발기(160)의 설비 비용을 최소화하면서 혼합 냉매의 상 변화 구간에서 바람직한 온도 변화 특성을 구현할 수 있도록, 냉매들의 종류를 선택하고, 혼합 비율(중량비)을 설정할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에서, 열매체가 증발기(160)에서 상 변화하는 과정에서 혼합 냉매의 온도가 증가하도록 하기 위하여, 끓는점 차이가 20℃ 이상인 냉매들이 혼합된 열매체 이용하여 액화가스를 재기화할 수 있다. 또한, 열매체는 약 10 ~ 20 barg 압력에서 열매체의 이슬점(dew point) 온도와, 끓는점(bubble point) 온도 간의 차이가 적어도 10℃ 이상이 되는 동시에, 열매체의 압력이 약 20 barg 이하(보다 바람직하게는 16 barg 이하)가 되도록, 냉매들의 혼합 비율(중량비)이 설정될 수 있다.
일 예로, 열매체는 제1 냉매와, 제1 냉매보다 20℃ 이상 끓는점이 낮은 제2 냉매를 포함할 수 있다. 열매체가 증발기(160)에서 상 변화하는 과정에서 열매체의 온도가 증가하는 효과를 증대시키는 관점에서, 제2 냉매의 끓는점은 제1 냉매의 끓는점보다 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하고, 제1 냉매와 제2 냉매의 끓는점 차이는 50℃ 이상인 것이 보다 바람직하다.
팽창 터빈(170)은 고압의 유체(기화된 열매체)가 팽창할 때에 터빈(172)을 회전시킴으로써 발전기(174)에서 전기를 생산하는 장치이다. 일 예로, 팽창 터빈(170)은 증발기(160)와 기화기(120) 사이에 설치된다. 팽창 터빈(170)은 증발기(160)에 의해 기화된 열매체의 동력에 의해 발전한다.
증발기(160)와 터빈(170) 사이에는 제2 압력센서와 제2 온도센서가 설치된다. 제2 압력센서와 제2 온도센서는 증발기(160)에서 기화된 열매체의 압력 및 온도를 측정한다.
기화기(120) 후단에는 제3 온도센서가 설치된다. 제3 온도센서는 기화기(120)에 의해 기화된 액화가스의 온도를 측정한다.
열매체의 유량은 제1 온도센서, 제1 압력센서, 제2 온도센서, 제2 압력센서, 제3 온도센서의 측정값에 따라 제어될 수 있다.
액화가스의 냉열을 회수하는 사이클은 랭킨 사이클이 적용된다. 즉, 저온의 액체 상태 열매체는 펌프(140)를 통해 가압되고, 이후 증발기(160)에서 열원을 통해 기화, 가열된다. 이후, 발전을 위해 팽창 터빈(170)을 거쳐 압력 강하가 일어나고, 이후 저압의 냉매가 기화기(120)를 통해 다시 액화되어 순환된다.
랭킨 사이클 적용시 수요처에서 요구하는 가스 온도와 압력 조건을 만족시켜야 하는 제약이 따르기 때문에, 액화가스로부터 회수할 수 있는 냉열은 현저히 떨어질 수 있다. 열매체의 종류, 압력과 유량에 따라 냉열 발전의 효율이 좌우되므로, 가압되는 열매체의 압력과 유량을 최적화하여 냉열 발전의 효율을 최대화할 필요가 있다.
열매체의 유량 및 압력은 기화기(120)에서 배출되는 열매체의 온도 및 압력, 증발기(160)에 사용되는 열원의 온도, 열매체의 가압 지점, 수요처로 송출되는 가스의 온도 등을 기반으로 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 액화가스 재기화 및 냉열 발전 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5에서 가로축은 유체들(해수, LNG, 혼합 냉매)의 열 흐름량을 나타내고, 세로축은 유체들의 온도를 나타낸다. 'SW'로 표기된 선은 해수의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프, 'LNG'로 표기된 선은 액화천연가스의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프이다.
본 실시예에 의하면, 끓는점 차이가 큰 냉매들이 혼합 냉매로 이용되어, 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프에서, 액체 상태에서 기화되는 상 변화 시에 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 구간(A)이 나타나고, 이에 따라 액화천연가스의 온도 대비 최소 온도차(△T) 조건을 만족시키며 혼합 냉매와 액화천연가스를 열교환시킬 수 있게 된다.
단일 냉매의 경우, 상변화가 일어나는 동안 온도가 일정하거나 온도가 감소하지만, 끓는 점이 설정값 이상의 차이를 가지는 냉매들을 혼합하면 증발기(140)에서 혼합 냉매의 상변화가 일어나는 동안 혼합 냉매의 온도가 점점 올라가면서 혼합 냉매가 기화되는 온도 상승(temperature gliding) 효과가 나타난다.
혼합 냉매의 상변화시 온도 상승량은 2~3℃ 혹은 그 이상, 바람직하게는 10℃ 이상이 되도록, 끓는점 차이가 큰 냉매들을 이용하는 동시에, 낮은 끓는점을 갖는 냉매의 혼합 비율을 일정 수준 이상(혼합 냉매를 기준으로 5중량% 이상)으로 혼합하는 것이 바람직하다. 따라서, 천연가스와 혼합 냉매 간에 최소 온도차가 확보되는 조건을 만족시키는 재기화 시스템을 구현할 수 있으며, 기화기 후단에 트림 히터(trim heater)를 설치할 필요가 없이, 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 충분히 활용하여 액화가스를 효율적으로 기화시킬 수 있다.
또한, 해수와 같이 상대적으로 열원의 온도가 낮은 경우에도 혼합 냉매의 잠열을 이용해 액화가스에 효율적인 열전달이 가능하며, 액화가스 재기화 및 냉열 발전 시스템을 단순화하고 운전 효율을 증대시킬 수 있으며, 혼합 냉매를 비가연성 냉매들로 구성하여 프로판과 같이 가연성이 높은 열전달 매체를 사용하는 시스템 보다 안전성을 높일 수 있다.
종래의 액화가스 재기화 시스템은 재기화기(Vaporizer)와 트림 히터(Trimheater)으로 운용되고, 트림 히터에서 냉매를 액체 상태로 운전하기 위해 냉매에 기화가 일어나지 않도록 높은 압력에서 운전해야 하는 관계로 재기화기와 트림 히터 간에 냉매의 운전 압력에 차이가 크다.
그러나, 본 실시예에 의하면, 열매체 순환라인(130)의 순환 루프 내의 압력 차이가 작고, 냉매가 단일 열교환 루프만을 순환하기 때문에 순환에 소비되는 압력과 수두 손실만큼 가압을 해주기만 하면 되어 액화가스 재기화를 위한 에너지 소비를 줄일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 혼합 냉매의 잠열 사용 효과를 극대화하여 액화가스 기화 성능을 향상시키고, 액화가스 재기화 및 냉열 발전 시스템에 필요한 냉매의 사용양을 줄일 수 있고, 또한, 트림 히터를 설치할 필요가 없이 하나의 기화기로도 액화가스를 기화시킬 수 있어 시스템 구성을 간소화 할 수 있다.
또한, 2단계의 열교환을 거치지 않고 단일 열교환 프로세스에 의해 액화가스를 재기화시킬 수 있으며, 혼합 냉매의 순환 유량을 줄여 펌프에 필요한 에너지 및 배관 사이즈를 줄일 수 있어, 시스템 설비 비용과, 공정/운용 비용도 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 낮은 해수 설계 온도 범위에서도 혼합 냉매를 상변화시키면서 혼합 냉매의 잠열을 효율적으로 이용하는 액화가스 재기화 시스템을 구현할 수 있다. 증발성 혼합 냉매를 사용할 경우에는 잠열이 현열보다 훨씬 크기 때문에 순환하는 혼합 냉매의 사용 유량을 줄일 수 있고, 이로 인해 혼합 냉매의 순환에 필요한 에너지도 감소한다.
상술한 바와 같은 혼합 냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 극대화하기 위하여, 혼합 냉매는 -40 ~ -10℃ 의 끓는점을 가지는 제1 냉매와, -60 ~ -90℃ 의 끓는점을 가지는 제2 냉매를 포함할 수 있다. 제1 냉매와 제2 냉매 간의 보다 바람직한 끓는점 차이는 50℃ 이상이다.
혼합 냉매의 압력을 증발기(160)의 설계 압력 이하로 제어하고, 동시에 증발기(160)에서의 혼합 냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻을 수 있도록 하기 위하여, 제1 냉매보다 낮은 끓는점을 가지는 제2 냉매는 혼합 냉매의 중량을 기준으로 0.05 ~ 0.15 의 중량비를 가지도록 제1 냉매와 혼합될 수 있다.
혼합 냉매는 비가연성을 가지는 동시에, 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만인 냉매들로 이루어질 수 있다. 도 3은 냉매의 안전등급 분류기준을 보여주는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이,냉매는 독성(Toxicity)과 가연성(Flammability)에 따라 안전등급이 분류된다.
실시예에서, 혼합 냉매의 냉매들은 안전등급(Safety group)이 B1~B3 또는 A2~A3인 냉매를 제외하고, 안전등급이 A1인 냉매 중에서 선택될 수 있다. 즉, 낮은 독성 및 낮은 가연성을 가지는 안전등급을 가지는 냉매들만을 고려하여 혼합 냉매를 조성할 수 있다. 또한, 혼합 냉매의 냉매들은 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만(보다 바람직하게는 1500 미만)인 친환경 냉매 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
실시예에서, 혼합 냉매는 제1 냉매에 해당하는 테트라플루오르에탄(1,1,1,2-tetrafluoroethane, R134a; CH2FCF3) 및 제2 냉매에 해당하는 이산화탄소(Carbon dioxide, R744; CO2)를 포함하여, 적어도 2 이상의 냉매들로 이루어질 수 있다. 두 냉매(R134a, R744)는 A1에 해당하는 안전 등급으로 분류되는 냉매로, 독성이 없고 비가연성 특성을 지니며, 오존파괴지수(ODP; Ozone Depletion Potential)가 0 이다. 또한, R744 냉매는 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potential)가 1 이고, R134a 냉매는 GWP가 1430으로 R744 냉매보다 높긴 하지만 각종 규제와 선급에서 제시하는 GWP 기준보다는 낮은 값을 가지고 있어서 규제를 만족시키며 사용하기에 적합하다.
R744는 R134a보다 휘발성이 높기 때문에 끓는점이 약 50℃ 이상 낮다. R134a는 끓는점이 약 -26℃ 이고, R744는 끓는점이 약 -78℃ 이다. 따라서, 두 냉매(R134a, R744)가 혼합된 혼합 냉매를 이용할 경우, 두 냉매의 큰 끓는점 차이로 인하여 상변화시 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 효과를 충분히 얻을 수 있다.
혼합 냉매는 테트라플루오르에탄(CH2FCF3, R134a) 및 이산화탄소(CO2, R744)를 각각 85 ~ 95% 중량비, 5 ~ 15% 중량비로 함유할 수 있다. R744 냉매가 5 중량% 미만으로 함유되는 경우, R744와 R134a의 높은 끓는점 차이에 의한 혼합 냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻기 어렵다.
반대로, R744 냉매의 혼합 비율이 15 중량%를 초과하는 경우, 높은 휘발성을 갖는 R744의 높은 함유량으로 인해 증발기(160)에서 혼합 냉매의 압력이 20 barg 를 초과하게 되고, 20 barg 이상의 높은 압력을 견딜 수 있도록 하기 위해 증발기(160)의 설계 두께를 증가시켜야만 하는 문제점이 생길 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 혼합 비율별로 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 특성을 나타낸 그래프이다. CH2FCF3(R134a) 및 CO2(R744)가 혼합된 혼합 냉매를 이용하였으며, R744의 중량비를 0.05, 0.1, 0.15로 변화시키면서 혼합 냉매의 온도 변화 특성, 혼합 냉매와 해수(SW) 간의 최소근접온도, 증발기에서 혼합 냉매의 포화 증기압 및 혼합 냉매 유량을 측정하였다.
표 2는 혼합 냉매를 이루는 CH2FCF3(R134a) 및 CO2(R744)의 중량비에 따른 혼합 냉매의 최소근접온도(혼합 냉매와 해수 간의 최소온도), 혼합 냉매의 포화 증기압(50℃ 기준) 및 혼합 냉매의 유량 변화를 나타낸 것이다. 표 1로부터, R744의 중량비가 증가할수록, 증발기에서 혼합 냉매의 포화 증기압이 증가하는 것을 알 수 있다.
R134a와 R744 중 휘발성이 더 큰 것은 R744이다. R744를 많이 혼합할수록, 혼합 냉매의 상 변화시 온도 상승(temperature gliding) 효과가 커져서 냉매 순환 유량이 작아지는 장점이 있으나, 증발기(140)에서 혼합 냉매의 증기압(vapor pressure)이 높아지므로 열교환기 제작에 있어서 설계 압력을 만족시키지 못할 수 있다.
해상 플랫폼이나 선박에서는 육상 플랜트와 비교하여 제한된 공간으로 시스템이 구성되어야 하는 제한점이 있다. 육상에서는 공기나 해수를 이용하여 유체를 기화시키는 오픈랙 기화기(open-rack vaporizer)를 사용할 수 있으나, 선박 위에는 그러한 큰 규모의 시스템을 설치하여 운용하는데 제약이 따른다. 이에 따라, 판형 열교환기(PHE; plate heat exchanger), 인쇄기판형 열교환기(PCHE; Printed circuit heat exchanger)와 같이 콤팩트한 장비가 운용될 수밖에 없고, 이러한 장비의 경우 제작 크기와 가격에 제한이 있다.
혼합 냉매의 순환 사이클에 사용되는 증발기(160)는 내부 부품인 플레이트의 두께에 따라 열교환기의 성능, 가격, 설계 압력 등이 결정된다. 냉매 시스템에서는 특정 온도에서의 증기 포화 압력을 시스템 설계 압력을 설정하여 시스템을 운용하고 있다. R744는 R134a보다 휘발성이 크기 때문에 R744의 혼합 조성비를 크게 할수록 설계 압력이 증가하게 된다.
따라서, 선박에서 사용되는 증발기(160)의 성능과 가격을 고려하여 혼합 냉매의 설계 압력을 만족시키기 위하여, R744의 혼합 조성비는 15 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 혼합 냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻도록 함과 동시에, 혼합 냉매의 압력을 설계 압력 이하로 제어하기 위하여, 혼합 냉매에 R744가 5 ~ 15 중량%로 함유되도록 R744의 혼합 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
증발기가 16 barg의 혼합 냉매의 압력(포화 증기압)을 견딜 수 있도록 0.6mm 두께의 텅스텐 플레이트로 이루어진 판형 열교환기로 제공되는 경우, 외기온도 50°하에서 증발기에서의 혼합 냉매의 압력(포화 증기압)이 16 barg 이하의 조건을 만족하도록, 혼합 냉매 중 끓는점이 낮은 제2 냉매(R744)의 혼합 비율을 10 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
표 3은 R134a 및 R744의 중량비를 0.95:0.05, 0.85:0.15로 하였을 때, 혼합 냉매의 압력에 따른 혼합 냉매의 끓는점 온도 및 이슬점 온도 변화를 나타낸 것이다. R744의 비율이 높은 경우(R744의 중량비가 15%인 경우), 혼합 냉매의 이슬점(Dew point) 온도와 끓는점(Bubble point) 온도 간의 차이가 커지고, 혼합 냉매의 상변화시 온도 상승 효과가 증대되며, 또한 해수와 LNG의 제한된 온도 조건 내에서 혼합 냉매를 사용하기에 유리해진다.
R744의 비율이 낮은 경우(R744의 중량비가 5%인 경우), 혼합 냉매의 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 감소한다. R744의 중량비가 5% 미만이 되는 경우, 10 ~ 20 barg 증기압에서 혼합 냉매의 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 약 10℃ 미만으로 감소하여, 증발기(140)에서 혼합 냉매의 상 변화시 온도 상승 효과가 감소할 수 있다. 따라서, R744를 5 중량% 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
도 8은 열매체의 엔탈피와 압력에 따른 열매체의 상태를 나타내는 냉매 특성 곡선을 예시한 그래프이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 팽창 터빈(170)으로 유입되는 열매체의 유량 및 압력은, 팽창 터빈(170)으로 유입되는 열매체가 팽창 터빈(170)이 정상 운전 가능한 기액 혼합 구간을 벗어나지 않도록 하고, 또한 기화기(120)에서 배출되는 열매체가 액상이 되도록 제어될 수 있다. 즉, 팽창 터빈(170)에 인입되는 열매체가 배출될 때 팽창 터빈(170)이 운전 가능한 기액 혼합 구간 이상으로 넘어가지 않도록 가압하는 압력을 제한할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 선박의 발전 시스템 20: 발전기
30 : 배전반 100: 유기랭킹사이클
110: 고압 부스터 펌프 112: 액화가스 이송라인
120: 기화기 130: 열매체 순환라인
140: 펌프 150: 열매체 탱크
160: 증발기 170: 팽창 터빈

Claims (9)

  1. 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인 상에 증발기, 팽창 터빈, 기화기, 열매체 탱크 및 펌프 순으로 사이클이 구성된 유기랭킨사이클들;
    상기 유기랭킨사이클들 중 하나의 유기랭킨사이클이 가동될 때 필요한 기동 전력을 제공하기 위한 발전기; 및
    상기 유기랭킨사이클의 가동에 따른 전력 생산에 따라 상기 발전기의 발전량을 제어하는 배전반을 포함하되;
    상기 유기랭킨사이클이 동작하면서 상기 팽창 터빈으로부터 생산되는 전력은 상기 배전반으로 공급되며,
    상기 배전반은 상기 팽창 터빈으로부터 공급되는 전력량을 감지하여 상기 발전기의 부하를 감소시키고,
    두번째 이상 상기 유기랭킨사이클 운용시 초기 기동시에는 상기 발전기로부터 기동 전력을 제공받고, 상기 유기랭킨사이클이 정상 가동되면서 상기 배전반에 의해 전체 전력 부하가 조정되는 선박의 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클들은 순차적으로 하나씩 상기 발전기로부터 기동 전력을 제공받아 가동되는 선박의 발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 최대 발전량은 상기 선박내 전력 사용량과 상기 유기랭킨사이클 하나의 기동 전력의 합보다 크고, 상기 선박내 전력 사용량과 상기 유기랭킨사이클 두 개의 기동 전력의 합보다 작은 선박의 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배전반은 육상의 발전소와 연결되며,
    상기 유기랭킨사이클들에서 생산되는 전력 일부를 상기 육상의 발전소로 송전하는 선박의 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클은
    상기 기화기에 의해 재기화된 액화가스를 수요처에 요구되는 온도로 가열하는 제1열교환기를 더 포함하되;
    상기 제1열교환기는 상기 증발기에 의해 기화된 열매체의 일부를 제1열원 공급라인을 통해 공급받으며, 상기 제1열원 공급라인은 상기 팽창 터빈의 전단에서 분기되어 상기 제1열교환기를 통과한 후 상기 기화기로 연결되는 선박의 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클은
    상기 제1열교환기에서 배출되는 기화된 액화가스의 압력을 이용해 발전하는 압력차 발전용 터빈을 더 포함하는 선박의 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압력차 발전용 터빈에서 배출되는 기화된 액화가스를 상기 수요처에서 요구되는 온도로 가열하는 제2열교환기를 더 포함하는 선박의 발전 시스템.
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